高层建筑结构设计之二：上海环球金融中心结构简介

1、研究生： 唐 荣学 号： 2240918510导 师： 周 云 教授授课老师：邓雪松 副教授专 业： 结构工程 2010年5月高层建筑结构设计之二上海环球金融中心结构Structure of Shanghai World Financial Center1目录21.1地理位置（三足鼎立）金茂大厦上海环球金融中心上海中心3工程概况上海”三足鼎立“局面的形成4工程概况上海环球金融中心、金茂大厦、东方明珠比较上海环球金融中心、上海中心、金茂大厦比较632m492m5工程概况 上海环球金融中心位于浦东新区陆家国际金融贸易中心区内，在建筑规划设上力求最大限度地利用优越的环境条件项目与基地周围88层的金茂

2、大厦以及规划建设中的上海中心呈“三足鼎立”之势，北侧紧100m宽的世纪大道，与中心绿地两办公大厦遥遥相对，基地的东侧和南侧据城市规划要求分别保留了绿化带，使上海的主导东南风能经过这块绿化带的净吹向基地。6工程概况 【开工日期】：1997年年初；2003年2月工程复工。【竣工日期】： 2008年8月29日。【用地面积】： 30,000 平方米 。【占地面积】： 14,400 平方米。【建筑面积】： 381,600 平方米。【建筑层数】： 地上101层、地下3层 。【建筑高度】： 492米 。【结构形式】： 钢筋混凝土结构（SRC结构）、钢结构（S结构）。 【建筑造价】： 1050亿日元。（约10

3、亿美元）【投资单位】： 森海外株式会社（Forest Overseas Co., Ltd.） 。【建筑设计】： KPF建筑师事务所 。【结构设计】： 籁思理罗伯逊联合股份(LERA) 。【设计单位】： 上海现代建筑设计（集团）、华东建筑设计研 究院 。【施工单位】： 中国建筑工程总公司、上海建工（集团）总公司总承包 联合体。 【所获荣誉】： 2008年竣工的最佳高层建筑（美国芝加哥“高层建筑和城 市住宅委员会”评选）。7工程概况89 上海环球金融中心建筑设计采用在超高层建筑方面享誉世界的纽约 KPF设计事务所的方案。总投资超过10亿美元的上海环球金融中心为多功能的摩天大楼，大楼地上101层 ，

4、地下3层 ，建筑总面积为381,600 平方米。地面以上高度为 492米。该建筑建成时 ，超越了当时世界第一高楼马来西亚的佩重纳斯大厦 (高452米)，成为当时世界最高的建筑物。 上海环球金融中心至今仍是我国内地的最高使用楼层、和最高屋顶高度建筑物。10屋顶高度世界第一：492米，超过了当时屋顶高度世界第一的台北101大楼（480米）。人可达到高度世界第一：474米，大楼100层的观光天阁是世界上人能到达的最高观景平台。建筑设计 该建筑建成时，创下了世界高楼评价指标四项中的两项纪录：11建筑设计环球中心标准层平面图1213 工程的结构设计基准期为50年,主楼的安全等级为一级,抗震设防烈度为7度

5、,场地特征周期为0.9s,基本地震加速度为0.1g,建筑场地类别为类,抗震设防类别为乙类,设计地震分组为第一组。3.1 结构体系下部结构 .主楼采用钢管桩加筏板的基础形式,其中主楼核心筒区域采用70018的钢管桩,有效桩长为59.85m,承载力特征值为5750kN；14 主楼核心筒以外区域采用70015的钢管桩,有效长度为41.35m,承载力特征值为4250kN,裙房部分采用70011的钢管桩,有效桩长为29.35m,承载力特征值为3700kN。主楼区域范围内底板厚度为4.0-4.5m,其余范围底板厚度为2.0m。结构体系及特点基础上的剪力墙分布15结构体系及特点上部结构工程上部结构同时采用三

6、重抗侧力结构体系： 巨型框架核心筒外伸臂结构这也是绝大部分的高层建筑所采用的结构体系。材料上采用混合结构形式：钢结构和钢筋混凝土结构混合。16结构体系及特点132图1. 建筑平面图图2. 主要抗侧力构件图3. 空间结构形式17结构体系及特点上部结构之巨型框架巨型柱(主要结构柱)+巨型斜撑(主要斜撑)+周边带状桁架 巨型结构体系由位于建筑物各个角部的巨型柱、连接巨型柱之间的巨型斜撑以及传力周边带状桁架构成。巨型结构体系还承担了建筑物大部分的重力荷载。 18结构体系及特点巨型柱巨型框架的构成19结构体系及特点 巨型柱为钢骨混凝土组合结构。钢骨截面采用热轧型钢或焊接组合截面。庞大的巨型柱位于建筑物的

7、各个角部，它们可以非常有效地抵抗来 自风和地震的侧向荷载。 20结构体系及特点 巨型斜撑为钢管混凝土结构。其箱形截面由二块大型竖向翼缘板和两块水平连接腹板组成。箱形钢管中的混凝土增加了结构的刚度和阻尼，也节省了浇注时的模板，还能防止构件中薄钢板的 屈曲。巨型斜撑除了抵御侧向荷载以外，还用于承受从周边柱子传来的重力荷载。 带状桁架位于每个避难设备层的四周 ，高度为一层楼高，带状桁架由焊接箱形截面和热轧宽翼缘型钢组成。21结构体系及特点 带状桁架将荷载从较小的周边柱子传递到巨型柱，同时也减少了相邻柱之间垂直位移的差异 ，并为结构提供多重内力传递途径。 周边带状桁架、巨型斜撑与巨型柱示意图节点连接带

8、状桁架、巨型斜撑与巨型柱节点连接示意图周边柱向巨型柱传荷22结构体系及特点上部结构之核心筒 采用钢筋混凝土核心筒，79层以上为带混凝土端墙的钢支撑核心筒。第79层23下部核心筒上部核心筒中部核心筒24结构体系及特点 由于受到建筑平面的限制,大楼的内核心筒在层5761及层79进行了转换,层5761核心筒的转换通过上部核心筒倒插三层的方式解决,同时对搭接部位楼层的楼板厚度进行了加强。左图：层57-61核心筒转换示意图右图：层79核心筒转换示意图25结构体系及特点上部结构之外伸臂连系核心筒和巨型结构柱间的桁架结构称为外伸臂。 外伸臂桁架体系由巨型柱与混凝土核心筒角部之间三层楼高的连接桁架构成。由于建

9、筑布局的限制,要使外伸桁架直接通过核心筒是不可行的。在设有伸臂桁架的楼层核心筒的剪力墙中埋置了一道环状圈桁架，以提供伸臂桁架所需要的后座跨。 26结构体系及特点核心筒内部环状圈桁架外伸臂桁架外伸臂桁架与内筒连接示意图27结构体系及特点 本建筑采用此种“巨型框架核心筒外伸臂结构”体系具有的一些特点:(1)巨型柱、巨型斜撑、周边带状桁架构成的巨型结构具有很大的抗侧力刚度,在建筑物的底部外周的巨型桁架筒体承担了60%以上的倾覆力矩和30%40%的剪力,而且与框筒结构相比,避免了剪力滞后的效应,也适当减轻了建筑结构的自重。(2)外伸臂桁架在建筑中所起的作用较常规的框架-核心筒或框筒结构体系已大为减少,

10、使得采用非贯穿核心筒体的外伸臂桁架成为可行。3.2 结构体系的特点28结构体系及特点(3)位于建筑角部的巨型柱可起到抵抗来自风和地震作用的最佳效果,型钢混凝土的截面可提供巨型构件需要的高承载力,也能方便与钢结构构件的连接。(4)巨型斜撑采用内灌混凝土的焊接箱形截面,不仅增加了结构的刚度和阻尼,而且也能防止斜撑构件钢板的屈曲。(5)每隔12层的一层高的周边带状桁架不仅是巨型结构的组成部分,同时也将荷载从周边小柱传递至巨型柱,也解决了周边相邻柱子之间的竖向变形差异的问题。2930 由于上海环球金融中心结构体系的复杂性、且高度及体型超限，设计参与单位上海现代建筑设计（集团）和华东院进行了大量设计分析

11、模拟，并且业主也委托同济大学土木工程防灾国家重点实验室、华东院进行了建设场地地震动参数的研究、整体结构模型的振动台试验、关键节点试验、整体结构的弹性、弹塑性动力时程分析以及采用 TMD阻尼装置的结构减震分析和建成后结构动力特性实测等系列研究工作。31结构计算分析及试验工作整体结构弹塑性时程分析及其结果： 1.吕西林、朱杰江采用两种非线性宏观单元，一种是梁柱单元，另一种是墙单元，通过编制高层钢筋混凝土结构弹塑性时程分析程序对结构进行弹塑性动力时程分析，并将结果与ETABS、SATWE的计算结果进行比较。表1. 结构自振周期32 2.汪大绥、周建龙等通过对结构进行静力弹塑性分析，整体计算中钢结构和

12、混凝土梁、柱及斜撑假定为框架单元,而核心筒则假定为壳单元。在程序ETABS，SATWE和SAP2000分析中都考虑了P-效应和扭转，而且考虑了风荷载及地震作用的最不利方向。得到如下结论：结构计算分析及试验工作（1）采用不同软件和模型的整体分析结果：表2. 结构整体分析的主要计算结果33结构计算分析及试验工作 罕遇地震作用下,性能控制点对应的建筑顶点位移x方向为1.85m，y方向为2.14m；最大层间位移角x方向为1/217，出现在层69，y方向为1/183，出现在层71，均小于规范规定的1/120的要求。 塑性铰出现的顺序为:底部核心筒的弯曲铰巨型斜撑的轴向铰核心筒的剪切铰巨型柱的塑性铰。结果

13、表明,在罕遇地震下,结构有较好的防倒塌能力,也具有足够的延性。（2）静力弹塑性分析的结果：34振动台试验及结论：结构计算分析及试验工作表3. 结构模型主要相似关系（1）结构模型制作35结构计算分析及试验工作（2）模型结构动力特性 在不同水准地震作用前后，均用白噪声对结构模型进行扫频试验。通过对各加速度测点的频谱特性、传递函数以及时程反应的分析，得到模型结构在不同水准地震前后的自振频率、阻尼比和振型形态，模型结构的低阶振型的振动形态主要为平动和整体扭转；模型结构前三阶频率分别为：2.306Hz(X向平动)、 2.306Hz(Y向平动)和5.290Hz(扭转)； 在完成 8度罕遇地震试验后，模型结

14、构前三阶频率分别降为： 1.628Hz(X向平动)、1.763Hz(Y向平动)和 3.847Hz(扭转)。36结构计算分析及试验工作表4. 结构计算分析及试验工作37385.施工技术 上海环球金融中心由中国建筑工程总公司和上海建工（集团）总公司联合承建。上海环球金融中心结构的复杂性和特殊性，凭借我国施工技术的实力，诸多的工程施工问题在此得以凸现和解决。 上海环球金融中心主楼外立面周边 ，在 4F至 6F之间，设有一道钢筋混凝土巨型梁，它分别与结构四角的巨型柱连为整体。主楼周边巨型梁施工39施工技术 巨型梁宽度 1.45 m(1.20 m)，总高度为 8.60 m(7.55 m)。在其顶部还有一道钢梁，钢梁插入混凝土巨型梁深度 1.44 m。整个巨型梁距离 lF结构楼板面高度为9.06 m，梁跨度为 28.8 m 。巨型梁宽巨型梁跨度图1. 主楼巨型平面40 分析工程特点，考虑采用分层浇筑的方式施工巨型梁。即将巨型梁分多次浇筑 ：第一次浇捣混凝土产生的荷载由下部搭设的排架支撑体系来承担，留设施工缝。第二次及以后浇捣的混凝土产生的荷载由已浇筑完成的混凝土梁在达到一定强度后承担，排架只作为脚手使用。减少了排架支撑体系的荷载 ，提高了高支模体系的稳定性。 施工技术41施工技术图2. 分层浇筑立面示意图图3. 第一次浇筑模板体系剖面4